【正文】 感 謝 機(jī) 械與 電 氣 工程學(xué)院的老師們的關(guān)心和幫助 ! 感 謝 2020 級的同學(xué)們在這四 年中對我學(xué)習(xí)和生活上的鼓勵。 (5) 全廠生產(chǎn)、管理、銷售系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合 ,會將啤酒這種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)管理水平帶上一個新的臺階 ,實(shí)施 CIMS系統(tǒng)是此行業(yè)的努力方向。 (3) 不同設(shè)備、不同工段自 控系統(tǒng)間的銜接問題將會得到更多的重視 , 并逐步實(shí)施。 啤酒廠自動控制的展望 (1) 對啤酒糖化、發(fā)酵工段進(jìn)行自動化控制并努力擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模是現(xiàn)階段國內(nèi)啤酒廠發(fā)展主流。如何提高啤酒生產(chǎn)過 程的綜合自動化水平，提升企業(yè)的生產(chǎn)和管理水平，是一個刻不容緩的研究課題。 31 第五章總結(jié) 與展望 啤酒生產(chǎn)是一個大型的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，工藝復(fù)雜，操作步驟多。 程序中設(shè)定了手動操作和自動控制選擇開關(guān)，在任意階段都能夠?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力的手、自動選擇控制。 根據(jù)啤酒發(fā)酵工藝流程的要求，設(shè)計出基本的程序流 程圖 如圖 44 圖 44 基本的程序流程圖 發(fā)酵罐的控制：根據(jù)發(fā)酵罐過程設(shè)定的狀態(tài)，判斷所處工序段，在根據(jù)溫度、開始 初始化 過程 模擬量讀取處理 計算溫度設(shè)定值 PID 計算 電磁閥控制輸出 罐狀態(tài)操作 29 時間、人工測定等參數(shù)判斷此工序是否完成，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的順序控制。啤酒的發(fā)酵工藝過 程共有十多天時間，最重要的環(huán)節(jié)是控制每個時間段發(fā)酵罐內(nèi)啤酒的發(fā)酵溫度，根據(jù)發(fā)酵工藝的要求，設(shè)出發(fā)酵溫度．時間曲線，輸入可編程序控制器 (PLC)，使系統(tǒng)自動根據(jù)不同時間段的溫度給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。 控制主程序 設(shè)計 27 PLC的 I/O定義 :啟動按鈕 ,模擬量讀取開關(guān) ,溫度設(shè)定值計算開關(guān),PID啟動為 ,電磁閥控制為 ,罐狀態(tài)操作為 。程序中設(shè)定了手動操作和自動控制選擇開關(guān)，在任意階段都能夠?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力的手、自動選擇控制。除此之外，另一個重要的任務(wù)就是接受工控機(jī)（一級主站）的控制命令，從而實(shí)現(xiàn)臺面控制系統(tǒng)的控制。 在本系統(tǒng)中 PLC的主要任務(wù)是接受由發(fā)酵罐傳遞來的溫度、壓力模擬量輸入信號。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計 一個啤酒發(fā)酵罐共有 5個輸入點(diǎn)， 3點(diǎn)用于溫度輸入， l點(diǎn)用于壓力輸入， l點(diǎn)用于液位輸入；有 4個輸出點(diǎn)， 3點(diǎn)用于冷媒開關(guān)閥， 1點(diǎn)用于壓力開關(guān)閥。在不同發(fā)酵時期，酵母活力不同，罐內(nèi)流體的運(yùn)動狀態(tài)有很大差異。 按發(fā)酵工藝，在發(fā)酵過程中要控制發(fā)酵罐溫度?？刂频碾y點(diǎn)在于兩個降溫過程，因為啤酒發(fā)酵到了這兩個階段本身所產(chǎn)生的熱量很少，幾乎只能維持，如果在降溫過程中控制不好，易產(chǎn)生較大的超調(diào)。綜合上述，錐形發(fā)酵罐冷卻帶使用及溫控方法歸納見 (表 41) 從發(fā)酵工藝曲線看 溫度控制 似乎非常簡單，但實(shí)際上發(fā)酵過程中工藝 曲線隨時都可更改。 C范圍內(nèi)，避免溫度回升，造成酒液翻騰。這時采用“冷媒流量小冷卻時間長 的緩冷卻方式進(jìn) 行降溫，避免局部結(jié)冰。 C，以降低酒液密度，罐壁形成自下而上對流，從而使酒液均勻快速地降至 O176。在 3～ 0。 C～ 3176。 C降溫期：由于啤酒的密 度在 3176。在 5176。因溫差變化較小，所以酒液流向很不規(guī)則，向下與向上對流趨于平衡。又由于發(fā)酵更加緩慢地進(jìn)行，錐形罐內(nèi)酒液下部的 C02密度梯度高于中上部，面這時下部酒液的密度低于中上部，同樣引起對流作用而使酒液向上緩慢流動。 (3)發(fā)酵第三階段 當(dāng)發(fā)酵溫度降至 31176。 C的過程中，通過冷量梯度控制下段溫度低于中上段 l～ 2176。此時，降溫的主要目的是促使酵母及雜質(zhì)與酒液的盡快分離。 C，壓力在 ～ 0． 12MPa時，此階段由于發(fā)酵速度隨著發(fā)酵溫度的降低 而逐漸減弱，以及酒液溫度變化引起的熱對流作用，這階段的對流情況將會變?yōu)橛稍瓉淼南蛏狭鲃又饾u變?yōu)橄蛳铝鲃?。根?jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，實(shí)施罐體不同部位的冷卻方式，不僅可以利用溫差引起的熱對流作用而加快向上流動的速度，使得發(fā)酵速度快、酵母懸浮性增強(qiáng)、雙乙酰還原快，而 且還有利于啤酒的成熟。 C。為了保持一定量的酵母懸浮數(shù)和避免已沉降酵母自溶，罐底溫度控制在 7176。 C～ 13176。因為罐上部酒液溫度低，相對密度大，可使酒液沿罐壁向下流動；罐底部溫度高，相對密度小，同時借助酒液底部二氧化碳上升的拖動力，酒液就會由罐中央向上流動，這樣可加強(qiáng)罐內(nèi)酒液對流作用，有利于酵母懸浮發(fā)酵，縮短主發(fā)酵期。 C～ 10176。 C， 罐內(nèi)壓力在 0． 1～ 0． 14MPa時，由于發(fā)酵旺盛產(chǎn)生大量 C02，罐體下部 C02密度高于中上部約 2～ 2． 5倍，這樣罐內(nèi)中下部酒液的密度將低于中上 部，形成 C02氣體的攪拌作用，使錐形罐內(nèi)酒液由下向上流動。當(dāng)發(fā)酵溫度在 13176。 角插人，深度應(yīng)是罐體半徑的 1／ 3左右。錐形發(fā)酵罐冷卻帶上的測溫點(diǎn)是隨罐體冷卻帶的設(shè)置而定，罐體為 2個，錐體為 1個。如圖 4． 1所示：設(shè)置 3個冷卻帶并均勻分布，錐體為 1段，上段冷卻帶的頂部設(shè)置在工作液面以下 150mm處，目的是為了在酒液的對流循環(huán)過程中，有利于酵母的沉降和 保存。因此，控制好啤酒發(fā)酵過程中溫度及其升降速率是決定啤酒質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。在發(fā)酵罐 頂部有一個電磁開關(guān)閥控制發(fā)酵罐罐內(nèi)壓力。由于液氨冷卻夾套需耐壓 1． 0～ 1． 5MPa，制作比較困難，容易泄漏，管理要求較高，因此乙醇或 25％的乙二醇間接冷卻成為國內(nèi)啤酒企業(yè)首選的冷媒制劑。但米勒板的加工和與筒體的焊接比較復(fù)雜，因此，一般選用容易加工的半圓管盤繞在罐體上作為冷卻帶，常采用三段冷卻。罐體冷卻帶的類型有以下五種：矩形、梯形、弧形、 半圓 和米勒板。 發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)如圖 41所示。目前國內(nèi)大多數(shù)啤酒企業(yè)采用的是露天發(fā)酵罐，材質(zhì)一般為碳鋼或不銹鋼。啤酒發(fā)酵的溫度控制就是利用冷媒介質(zhì)對罐內(nèi)溫度按工藝要求進(jìn)行分段控制。 第四章啤酒發(fā)酵過程溫度控制 啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)工藝流程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是一個極其復(fù)雜的在發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)生并釋放大量熱量的生化放熱反應(yīng)過程。 PLC的 I/O定義表 表 1PLC I/O定義表 序號 輸入元件 輸入地址 輸出元件 輸出地址 1 進(jìn)料按鈕 提升機(jī)、上蛟龍啟動 2 進(jìn)風(fēng)循環(huán)按鈕 風(fēng)機(jī)啟動 3 熱風(fēng)循環(huán)按鈕 下蛟龍啟動 4 急停按鈕 排糧倉啟動 5 提升機(jī)、上蛟龍啟動否 燃油機(jī)（點(diǎn)火）控制 6 風(fēng)機(jī)啟動否 麥芽水分達(dá)標(biāo)報警 7 下蛟龍啟動否 燃油機(jī)熄滅控制 8 排糧倉啟動否 結(jié)束輸出 9 麥芽水分檢測 10 啟動按鈕 11 停止按鈕 麥芽烘干機(jī)的 PLC接線圖 32 18 圖 32 麥芽烘干機(jī)的 PLC接線圖 3． 2． 2系統(tǒng)軟件設(shè)計 根據(jù)烘干機(jī)的工作過程，系統(tǒng)主要對麥芽水分檢測和燃油機(jī)進(jìn)行控制，水分檢測每隔一定的時間進(jìn)行一次，將檢測到的水分與給定值進(jìn)行比較，如果水分不大于給定值，則控制燃油機(jī)熄火，反之則控制燃油機(jī)點(diǎn)火燃燒。 3． 2． 1系統(tǒng)硬件設(shè)計 根據(jù)麥芽烘干的控制要求和控制規(guī)模，可選用 S7300型 PLC． CPU312，其 有計數(shù)、頻率測量和脈沖寬度調(diào)制功能。隨著機(jī)械化、自動化水平的不斷提高， PLC在其中的應(yīng)用也不斷增加，目前各種自動谷物烘干機(jī)源源不斷的推向市 16場，要實(shí)現(xiàn)它的控制，可用傳統(tǒng)的電 器控制，也可用單片機(jī)控制，還可用 PLC控制。 (1)大麥經(jīng)送料斗進(jìn)入提升機(jī)，在此判斷水分是否超標(biāo)； (2)如果水分超標(biāo)，則經(jīng)上絞龍、調(diào)質(zhì)倉和干燥倉進(jìn)行烘干處理，再經(jīng)排糧倉和上絞龍返回提升機(jī)； (3)對烘干后的大麥再判斷其所含水分是否超標(biāo)，如果達(dá)標(biāo)，則由排糧管排出，進(jìn)行打包處理運(yùn)往啤酒廠；如果所含水分仍未達(dá)標(biāo)，則進(jìn)行循環(huán)烘干。 3． 1麥芽烘干工藝流程 麥芽烘干的工藝流程可以用圖 31所示的工藝流程來描述。因此烘干過程對啤酒生產(chǎn)起關(guān)鍵作用。深色 (紅或黑色 )麥芽常用于調(diào)節(jié)啤酒的顏色。由于烘干方法、烘干溫度以及烘干時間的 不同，麥芽的色澤、甜度、口味、芳香和其他品質(zhì)都會有所不同。 C～ 200176。 C水中浸泡數(shù)日后烘晾 5～ 10天，促其發(fā)芽，然后對麥芽進(jìn)行加熱或熏烤處理，即烘干。大麥?zhǔn)侵圃炱【?的主要原料，在進(jìn)入釀造過程之前，首先要將大麥在 5176。 第三章 PLC在啤酒生產(chǎn)麥芽烘干過程中的應(yīng)用 麥芽是啤酒生產(chǎn)中的主要原料，麥芽的烘干過程控制對麥芽的品質(zhì)有直接的影響。 (4)酵母擴(kuò)培 發(fā)酵所必須的酵母通過純種培養(yǎng)獲得，整個培養(yǎng)過程通常分為 3個階段：獲得合 16 適的酵母細(xì)胞、實(shí)驗室擴(kuò)培和車間擴(kuò)培。殺菌就是在啤酒罐裝之 前對其進(jìn)行生物穩(wěn)定性處理的最后一個環(huán)節(jié)。 啤酒過濾是一種分離過程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母細(xì)胞和其它混濁物從啤酒中分離出去，否則這些物質(zhì)會在以后的時間里從啤酒中析出， 導(dǎo)致啤酒混濁，目前多采用硅藻土過濾方式。因 此，發(fā)酵溫度成了整個控制系統(tǒng)的控制難點(diǎn)。在一個生產(chǎn)周期內(nèi)，發(fā)酵深度和冷媒物性都是變化的，冷媒溫度一般也是變化的 (例如作 為冷媒的酒精水通常會在 4C～ 10℃范圍內(nèi)變化 )。此外，生產(chǎn)原料質(zhì)和量、發(fā)酵進(jìn)程、冷媒物性以及生產(chǎn)環(huán)境等因素的變化也嚴(yán)重地影響著實(shí)際的對象特性。由于發(fā) 酵罐容積大 (我國主要采用的發(fā)酵罐最大容積為 120～ 500m3)、內(nèi)部沒有攪拌裝置，所以整個熱交換過程十分緩慢，系統(tǒng)特性表現(xiàn)的時滯很大。 在發(fā)酵期間，一般是往附著于罐壁上的冷卻夾套內(nèi)通入致冷酒精水或氨來吸收生化反應(yīng)熱，以維持適宜的發(fā)酵溫度，致冷量通過調(diào)節(jié)冷媒流量來控制。 C/h； de段：降溫進(jìn)入貯酒階段，降溫速度為 176。 C； bc段：逐漸降溫進(jìn)入后酵，降溫速度為 176。所以在整個啤酒發(fā)酵周期需要對發(fā)酵溫度作嚴(yán)格的控制，其典型控制曲線如圖 23所示，不同品種、不同工藝所要求的溫度控 制曲線會略有不同。相比之下，發(fā)酵壓力 的控制并不存在太多技術(shù)難度。一般認(rèn)為，低溫發(fā)酵可以降低雙乙酰、脂類等代謝產(chǎn)物的含量，可以提高啤酒的色澤和口味。壓力不斷上升會使溶解在啤酒中的 C02不斷增加，同時使發(fā)酵、酵母增殖和發(fā)酵副產(chǎn)物的形成逐漸停止。在發(fā)酵過程中，各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速度受一系列因素的影響。另外，在不同的發(fā)酵階段，對發(fā)酵罐內(nèi)溫度場也有相應(yīng)的要求：在前酵階段希望發(fā)酵罐內(nèi)從罐項到罐底有一正的溫度梯度 (上段溫度高于下段溫度 )，以利于發(fā)酵液對流和酵母在罐內(nèi)的均勻混合。經(jīng)過一段時間的貯酒，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。 C降到 O176。一旦雙乙酰指標(biāo) 合格，發(fā)酵罐進(jìn)入第二個降溫過程，約以 176。 C左右時，后酵階段開始了，這一階段最主要的目的是進(jìn)行雙乙酰還原。當(dāng)罐內(nèi)溫度從前酵的 12176。 C左右，從前酵進(jìn)入后酵的降溫過程，其降溫速度一般控制在 176。此時，前酵基本結(jié)束，進(jìn)行降溫轉(zhuǎn)入后酵階段。麥汁接 種酵母進(jìn)入發(fā)酵罐幾小時以后逐漸開始主發(fā)酵，麥汁糖度下降，產(chǎn)生 C02，反應(yīng)熱的釋放使整個罐內(nèi)的溫度逐漸上升。整個發(fā)酵過程可以分為主酵和后酵兩個階段： (a)主酵。 (b)芳香物質(zhì)。例如雙乙酰 (聯(lián) 14 二酮 )、醛、硫化物等，這些物質(zhì)賦予啤酒不純正、不成熟、不協(xié)調(diào)的口味和氣味。發(fā)酵副產(chǎn)物既可以使啤酒口味豐滿，也能對啤酒口味、發(fā)泡持性等產(chǎn)生不利的影響。簡單的說啤酒發(fā)酵就是把糖化麥汁中的糖類分解成為 C2H5OH、 C02和 H20的過程，并釋放出大量的熱量。因此，這個過程我們需要在一定時間內(nèi)對二者進(jìn)行量的控制。酵母會在幾小時內(nèi)消耗掉提供的氧氣，對麥汁質(zhì)量無損害。而酵母繁殖需要氧氣，為了酵母的繁殖，必須使酵母活化并進(jìn)入發(fā)酵階段，因此必須給酵母提供足夠的氧氣。例如：麥汁充氧、酵母添加、發(fā)酵、過濾、修飾以及酵母培養(yǎng)等等。至此，整個糖化環(huán)節(jié)基本結(jié)束，生產(chǎn)出的麥汁泵入發(fā)酵罐轉(zhuǎn)入發(fā)酵環(huán)節(jié)。 C～ 8176。 (b)麥汁冷卻和冷凝固物的析出和分離：預(yù)冷卻的麥汁通過激冷，最后達(dá)到發(fā)酵要求的溫度，同時析出凝固物，并將其排除。 (5)澄清、冷卻 煮沸結(jié)束時的麥汁 總是含有冷、熱凝固物，冷、熱凝固物對以后的啤酒釀造有不利的影響，會損壞啤酒質(zhì)量，所以必須將其除去。 (c)煮沸鍋防溢控制。在大蒸發(fā)階段中，需要根 據(jù)麥汁濃度控制蒸發(fā)強(qiáng)度以達(dá)到控